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长安大学 812 自动控制理论(含现控) 2018 年真题思维导图

211 院校共 10 题

难度:中等偏难 共10道大题:有源电路求传函、方框图与二阶动态指标、劳斯判据判稳、根轨迹、奈奎斯特判稳、描述函数法、采样系统斜坡稳态误差、状态空间能控能观、平衡点与李雅普诺夫判稳、状态空间响应与观测器。

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1一、有源电路求传递函数#

思路
  • 按运放虚短虚断把两输入端电位取相等,对中间节点列KCL消去节点电压,整理得输出对输入的传递函数。
本卷考法
  • 由含运放的RC有源电路用复阻抗关系求传函
本卷实例
  • 关键一步:由虚短虚断认定两输入端电位相等
  • 中间结果:对中间节点列KCL并消去节点电压
  • 卡点:电路连接以图给出,需回原卷核对图
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 电路用复阻抗法:电阻 R、电感 Ls、电容 1/(Cs)
  • 机械平移系统三种元件:质量 m、阻尼 f、弹簧 k
  • 先列物理定律方程,再消去中间变量
  • 列方程的依据:KCL/KVL 或牛顿第二定律
步骤
  • 画出复阻抗等效电路或受力分析图
  • 按 KVL/KCL 或牛顿第二定律列出微分方程组
  • 消去中间变量,得到只含输入输出的方程
  • 取拉氏变换并整理成 C(s)/R(s)
通用考法
  • 本卷考过由含运放的RC有源电路用复阻抗关系求传函
  • 给定 RLC 网络求 U_o(s)/U_i(s)
  • 弹簧-质量-阻尼系统求位移对力的传递函数
  • 含运算放大器的有源网络求传递函数
常见易错
  • 本卷考过把电容复阻抗写成Cs而不是1/(Cs)
  • 复阻抗法把电容阻抗误写成 Cs
  • 机械系统阻尼力与弹簧力的正负方向取反
  • 运放电路忘记使用虚短与虚断条件
公式
电路网络与有源网络建模 建模与机电系统
本卷考法
  • 有源网络建模时用虚短与虚断列节点方程
本卷实例
  • 关键一步:把运放两输入端电位取相等后再列电流方程
  • 中间结果:联立节点方程整理为Uo与Ui之比
  • 卡点:反馈支路接法以原卷插图为准
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 无源网络用复阻抗分压或节点法
  • 含运放的网络使用虚短与虚断两个条件
  • 有源滤波器与 RC 网络是常见载体
步骤
  • 画出复阻抗等效电路
  • 用分压公式或节点电流方程列写关系
  • 整理为输出与输入的比值
通用考法
  • 本卷考过有源网络建模时用虚短与虚断列节点方程
  • RC 网络或有源滤波器求传递函数
  • 求运算电路的输出表达式
常见易错
  • 本卷考过忽略反相输入端的负号导致输出极性写反
  • 含运放时忽略虚短虚断导致方程数不足
  • 把反相输入的负号漏掉
公式

2二、方框图求闭环传函与二阶动态指标#

思路
  • 先用回路化简或梅逊公式求闭环传函,再化为标准二阶形式读阻尼比与自然频率,按指标公式求调节时间,最后用误差传函求组合输入下的稳态误差。
多回路系统的逐层化简 结构图与方框图
本卷考法
  • 由多回路方框图逐层化简求闭环传函
本卷实例
  • 关键一步:先求内环等效传函再化简外环
  • 中间结果:整理成分子为自然频率平方的分式
  • 卡点:方框图以图给出,需回原卷核对图
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 从最内层回路开始,逐层向外化简
  • 每个内环先化成一个等效环节,再参与外层的串并联
  • 化简顺序错误会导致式子繁琐但仍可得到正确结果
步骤
  • 标出内环并求其闭环传递函数
  • 把内环替换为等效环节
  • 对新的结构图重复上述步骤,直到单回路
  • 最后求整个系统的闭环传递函数
通用考法
  • 本卷考过由多回路方框图逐层化简求闭环传函
  • 三环及以上系统求闭环传递函数
  • 含局部反馈的系统化简
常见易错
  • 本卷考过化简内环时把外环的信号当成常数
  • 化简内环时把外环的信号当成常数处理
二阶系统标准形式与阻尼比 时域响应与动态性能
本卷考法
  • 把闭环传函化为标准二阶形式读阻尼比
本卷实例
  • 关键一步:把分母s平方项系数归一后对照标准形式
  • 中间结果:由对应项系数关系反解时间常数tau
  • 卡点:参数字母写法以原卷印刷为准
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 标准形式由自然频率 ωn 与阻尼比 ξ 两个参数确定
  • ξ>1 过阻尼、ξ=1 临界阻尼、0<ξ<1 欠阻尼、ξ=0 无阻尼
  • 闭环极点位置只由 ξωn 与 ωn√(1-ξ²) 决定
  • β=arccos ξ 是极点与负实轴的夹角
步骤
  • 把闭环传递函数化成标准二阶形式
  • 比对系数求出 ωn 与 ξ
  • 写出闭环极点表达式
  • 按 ξ 的取值判断响应类型
通用考法
  • 本卷考过把闭环传函化为标准二阶形式读阻尼比
  • 由闭环传递函数求 ωn 与 ξ
  • 判断响应是过阻尼还是欠阻尼
  • 在 s 平面上标出闭环极点的位置
常见易错
  • 本卷考过未把s平方项系数归一化就对照标准形式
  • 化为标准形式时忘记把 s² 项系数归一化
  • 把开环增益误当成闭环传递函数的系数
公式
欠阻尼动态性能指标 时域响应与动态性能
本卷考法
  • 由阻尼比与自然频率计算调节时间
本卷实例
  • 关键一步:由标准二阶分母读出阻尼比与自然频率
  • 中间结果:把两者代入5%误差带调节时间公式
  • 卡点:本题按5%误差带计算,勿混用2%
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 超调量只由 ξ 决定,与 ωn 无关
  • 峰值时间、上升时间、调节时间都与 ωn 成反比
  • 调节时间与 ξωn 的乘积成反比,ξωn 是衰减因子
  • 振荡次数与 ξ 直接相关
步骤
  • 由标准形式读出 ξ 与 ωn
  • 用超调量公式先求 ξ
  • 依次代入峰值时间、调节时间、上升时间公式
  • 必要时计算振荡次数
通用考法
  • 本卷考过由阻尼比与自然频率计算调节时间
  • 给定 ξ 与 ωn 求全部动态性能指标
  • 由超调量要求确定 ξ 的取值范围
  • 分析 ωn 变化时各指标如何变化
常见易错
  • 本卷考过5%误差带的调节时间系数取错
  • 把两种误差带的调节时间系数搞混
  • 峰值时间与上升时间混用
  • 超调量公式中漏乘 100%
公式
本卷考法
  • 求阶跃与斜坡组合输入下的稳态误差
本卷实例
  • 关键一步:先判定闭环稳定性再对误差传函用终值定理
  • 中间结果:把阶跃与斜坡的拉氏像分别代入误差式
  • 卡点:输入幅度以题面印刷为准
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 稳态误差由系统型别与输入类型共同决定
  • 0 型对阶跃有差、Ⅰ型对斜坡有差、Ⅱ型对加速度有差
  • 低型别系统对高阶输入的误差为无穷大
步骤
  • 判断系统型别并联立稳定性检查
  • 写出输入信号的拉氏变换
  • 用终值定理求 e_ss,或直接查表
  • 必要时按叠加原理分别计算各分量
通用考法
  • 本卷考过求阶跃与斜坡组合输入下的稳态误差
  • 求给定输入下的稳态误差
  • 由稳态误差要求反求开环增益
  • 比较不同型别系统的跟踪能力
常见易错
  • 本卷考过组合信号漏掉斜坡分量对应的误差项
  • 未判稳就使用终值定理
  • 输入为组合信号时漏掉某一分量
  • Ⅰ型系统求阶跃误差时误代入速度误差公式
公式

3三、劳斯判据判断闭环稳定k范围#

思路
  • 由开环传函写出闭环特征多项式,列劳斯表,考察首列各元符号是否可能同号,从而给出使闭环稳定的参数条件。
劳斯判据 稳定性分析
本卷考法
  • 用劳斯表首列符号判断含参系统稳定性
本卷实例
  • 关键一步:由闭环特征方程列出劳斯表
  • 中间结果:写出首列含k的各元表达式
  • 卡点:特征方程以题面印刷为准
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 特征方程各项系数全为正只是必要条件,不充分
  • 劳斯表首列元素全部同号 ⇔ 系统稳定
  • 首列符号变化次数等于右半平面闭环极点数
  • 首列出现 0 时需用 ε 法或乘辅助多项式处理
步骤
  • 写出闭环特征方程并整理成降幂排列
  • 若某次幂系数缺项,该项补零
  • 列劳斯表:前两行为系数,之后各行按交叉相减
  • 检查首列符号:全同号则稳定,有变号则数出个数
通用考法
  • 本卷考过用劳斯表首列符号判断含参系统稳定性
  • 判断给定系统的稳定性
  • 指出右半平面闭环极点的个数
  • 求使系统稳定的参数范围
常见易错
  • 本卷考过特征多项式系数缺项时不补零直接排表
  • 系数有缺项时不补零,直接套用判据
  • 首列出现 0 后仍按常规继续算,未用 ε 法
公式
参数稳定域的确定 稳定性分析
本卷考法
  • 由劳斯表首列不等式讨论参数稳定域
本卷实例
  • 关键一步:把首列各元大于零写成不等式组
  • 中间结果:检验该不等式组是否存在公共解
  • 卡点:k的符号约定以题面为准
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 稳定条件是一组关于参数的不等式
  • 区间端点通常对应临界稳定,即根落在虚轴上
  • 稳定域是不等式组的交集
步骤
  • 由劳斯表首列各元素大于零列出不等式组
  • 逐个解不等式并取交集
  • 检查端点是否为临界稳定
通用考法
  • 本卷考过由劳斯表首列不等式讨论参数稳定域
  • 求使系统稳定的参数上界或下界
  • 判断某参数取值是否满足稳定要求
  • 比较不同参数对稳定域大小的影响
常见易错
  • 本卷考过只取部分首列元的不等式而漏掉约束
  • 只列出部分首列元素的不等式,漏掉某个约束
  • 取交集时把端点是否包含搞错
公式

4四、根轨迹绘制与闭环稳定k范围#

思路
  • 先写开环极点零点、实轴段与渐近线,再求分离点,最后令s=jω代入特征方程求虚轴交点与临界增益,由轨迹穿越情况给出稳定k范围。
本卷考法
  • 按绘制法则画重极点系统的根轨迹草图
本卷实例
  • 关键一步:列出开环极点并判定实轴上的轨迹段
  • 中间结果:按渐近线条数与夹角画出走向
  • 卡点:根轨迹形状以图给出,需回原卷核对图
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 起于开环极点、终于开环零点(无穷远零点),分支数等于极点数 n
  • 实轴上某段右侧的零极点总数为奇数时,该段属于根轨迹
  • 渐近线条数为 n-m,交点在实轴上,与实轴夹角等分 360°
  • 根轨迹关于实轴对称
步骤
  • 标出全部开环零极点并判断实轴上的根轨迹段
  • 计算渐近线交点与夹角
  • 求出分离点、出射角、与虚轴交点
  • 按对称性连接各段并标出对应 K 值
通用考法
  • 本卷考过按绘制法则画重极点系统的根轨迹草图
  • 按法则绘制根轨迹草图
  • 指出渐近线条数与夹角
  • 判断某段实轴是否属于根轨迹
常见易错
  • 本卷考过实轴段判据中的零极点个数算错
  • 实轴段判据中的零极点个数算错
  • 渐近线夹角公式中的 2k+1 写成 2k
公式
分离点与会合点 根轨迹法
本卷考法
  • 求根轨迹分离点或汇合点坐标
本卷实例
  • 关键一步:令增益对s的导数为零得分离点方程
  • 中间结果:把求得的根代回轨迹范围筛选
  • 卡点:分离点取舍需结合实轴段判断
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 分离点是根轨迹离开实轴或相汇的点,对应特征方程的重根
  • 分离点必满足 dK/ds=0
  • 用试探法求解代数方程时要注意舍去不在根轨迹上的根
步骤
  • 由幅值条件解出 K 关于 s 的表达式
  • 令 dK/ds=0 得分离点方程
  • 解方程并用实轴段判据筛选
  • 代回求分离点处的 K 值
通用考法
  • 本卷考过求根轨迹分离点或汇合点坐标
  • 求根轨迹的分离点坐标
  • 确定分离点处的临界增益
  • 判断解的取舍
常见易错
  • 本卷考过解出方程根后不筛选不在轨迹上的解
  • 求出方程根后不筛选,保留了不在根轨迹上的解
  • 用 dK/ds=0 却未化成 K 的显式表达式
公式
本卷考法
  • 求根轨迹与虚轴交点及临界增益
本卷实例
  • 关键一步:令s=jw代入特征方程分离实部与虚部
  • 中间结果:由虚部方程解w再代回实部求临界增益
  • 卡点:增益符号与定义以题面为准
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 根轨迹与虚轴的交点对应系统临界稳定
  • 可用劳斯判据令首列为零,或令 s=jω 代入特征方程求解
  • 交点处的 K 是使系统稳定的临界增益
步骤
  • 把 s=jω 代入闭环特征方程
  • 令实部与虚部分别为零,得到两个方程
  • 联立解出 ω 与 K
  • 结合实轴段信息确定根轨迹穿越方向
通用考法
  • 本卷考过求根轨迹与虚轴交点及临界增益
  • 求根轨迹与虚轴的交点及临界增益
  • 确定系统稳定时 K 的取值范围
  • 判断根轨迹穿越虚轴的方向
常见易错
  • 本卷考过只代一个omega就下结论漏掉另一组交点
  • 只代一个 ω 就下结论,漏掉另一组交点
  • 得到 K 后没有回到原题核对参数定义
公式

5五、奈奎斯特曲线绘制与稳定性判断#

思路
  • 写出开环幅频与相频表达式,取omega从零到无穷描出幅相曲线,再按开环右半平面极点数与包围圈数用奈奎斯特判据判断闭环稳定性。
奈奎斯特判据 稳定性分析
本卷考法
  • 由开环幅相曲线按奈奎斯特判据判断闭环稳定性
本卷实例
  • 关键一步:先数开环右半平面极点数P
  • 中间结果:由omega从零到无穷的幅相走向判断包围情况
  • 卡点:曲线形状以图给出,需回原卷核对图
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 闭环稳定 ⇔ Z=N+P,其中 Z 为右半平面闭环极点数
  • P 为开环右半平面极点数,须先数清楚
  • N 为开环幅相曲线绕 (-1,j0) 点的净包围圈数
  • 逆时针包围为正,顺时针为负
步骤
  • 先求开环极点,数出右半平面个数 P
  • 绘制开环幅相特性曲线(或利用 Bode 图判稳)
  • 数出曲线对 (-1,j0) 点的包围圈数 N
  • 由 Z=N+P 判断闭环稳定性
通用考法
  • 本卷考过由开环幅相曲线按奈奎斯特判据判断闭环稳定性
  • 由开环幅相曲线判断闭环稳定性
  • 求使闭环稳定的开环增益范围
  • 判断补画虚轴绕行后曲线的包围情况
常见易错
  • 本卷考过开环含积分环节时未补画无穷大半径圆弧
  • 开环含有积分环节时未补画无穷大半径圆弧
  • 把包围圈数的正负号定义搞反
  • 没有先数开环右半平面极点数 P
公式
本卷考法
  • 写出开环传递函数的幅频与相频表达式
本卷实例
  • 关键一步:代入s=jw分别求幅值与相角
  • 中间结果:得出omega趋于零与无穷时的幅相端点
  • 卡点:转折频率以题面印刷为准
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 频率特性是传递函数中令 s=jω 得到的复变函数
  • 幅频特性表示各频率正弦输入下的幅值放大倍数
  • 相频特性表示输出相对输入的相位差
  • 频率特性可用幅相曲线、Bode 图或尼柯尔斯图表示
步骤
  • 由传递函数令 s=jω 得到 G(jω)
  • 分别求出幅值 |G(jω)| 与相角 ∠G(jω)
  • 按需要绘制幅相曲线或对数频率特性
通用考法
  • 本卷考过写出开环传递函数的幅频与相频表达式
  • 求给定传递函数的幅频与相频表达式
  • 计算某频率处的幅值与相角
  • 说明频率特性的物理含义
常见易错
  • 本卷考过相角累加时漏掉积分环节的负90度
  • 求幅值时忘记把分母复数取模后再相除
  • 相角累加时漏掉积分环节的 -90°
公式

6六、非线性系统描述函数法判自振与稳定k范围#

思路
  • 由死区继电特性写出描述函数与负倒描述函数,与线性部分奈奎斯特曲线同图比较,由两曲线是否相交判断自振,再由不相交条件给出稳定k范围。
描述函数法基础 非线性系统
本卷考法
  • 求死区继电特性的描述函数与负倒描述函数
本卷实例
  • 关键一步:按死区继电特性写出描述函数表达式
  • 中间结果:求负倒描述函数并分析其极值方向
  • 卡点:非线性特性参数以题面为准
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 描述函数是非线性环节在正弦输入下的等效复放大倍数
  • 描述函数是输入幅值的函数,与频率无关
  • 只适用于非线性环节输入近似为正弦、线性部分具有低通滤波特性的系统
  • 描述函数法用来判断自振的存在与参数
步骤
  • 写出非线性环节在正弦输入下的输出表达式
  • 取输出的一次谐波分量求基波幅值与相位
  • 按定义求描述函数 N(A)
  • 与线性部分特性联立判断自振
通用考法
  • 本卷考过求死区继电特性的描述函数与负倒描述函数
  • 求饱和、死区、继电特性等典型非线性的描述函数
  • 说明描述函数法的适用条件
  • 指出描述函数与频率特性的区别
常见易错
  • 本卷考过把描述函数当成频率的函数
  • 把描述函数当成频率的函数
  • 忽略一次谐波近似带来的误差条件
公式
本卷考法
  • 由两曲线交点判断自振并定稳定k范围
本卷实例
  • 关键一步:把负倒描述函数与开环幅相曲线画在同一复平面
  • 中间结果:由交点存在性与穿越方向判定自振
  • 卡点:曲线相交关系以图题给出,需回原卷核对图
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 自振条件为 G(jω)N(A)=-1,即线性部分特性与负倒描述函数曲线相交
  • 交点给出自振频率 ω 与自振幅值 A
  • 负倒描述函数曲线上幅值增大的方向决定自振是否稳定
  • 交点处两条曲线的走向关系决定极限环稳定性
步骤
  • 求线性部分的频率特性 G(jω)
  • 求非线性环节的负倒描述函数 -1/N(A) 并确定 A 的增大方向
  • 在同一复平面上画两条曲线并求交点
  • 由交点处的走向判断自振是否存在且稳定,读出 ω 与 A
通用考法
  • 本卷考过由两曲线交点判断自振并定稳定k范围
  • 判断系统是否产生自持振荡
  • 求自振频率与自振幅值
  • 分析参数变化对自振的影响
常见易错
  • 本卷考过未标注振幅增大方向就判断稳定性
  • 画的是 N(A) 而不是负倒描述函数 -1/N(A)
  • 未标注 A 的增大方向就判断稳定性
  • 把交点频率当成截止频率
公式
本卷考法
  • 说明死区继电特性对系统稳定性的影响
本卷实例
  • 关键一步:比较死区宽度与振幅对描述函数的影响
  • 中间结果:由增益与极值点的相对位置分档讨论
  • 卡点:参数取值范围以题面为准
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 饱和特性降低等效增益,可能引起系统不稳定或自振
  • 死区特性使小信号时增益为零,产生稳态误差
  • 间隙特性引起相位滞后,导致波形畸变与自振
  • 继电特性使系统出现持续振荡并可能产生颤振
步骤
  • 识别非线性环节类型
  • 写出其描述函数或分段数学表达式
  • 分析其对等效增益与稳定性的影响
通用考法
  • 本卷考过说明死区继电特性对系统稳定性的影响
  • 分析饱和或死区对系统性能的影响
  • 求典型非线性的描述函数表达式
  • 说明间隙为何容易引起自振
常见易错
  • 本卷考过认为非线性环节总使系统更不稳定
  • 认为饱和总是使系统更稳定
  • 忽略死区在原点附近造成的小信号失效
公式

7七、采样系统脉冲传函与斜坡稳态误差#

思路
  • 先求含零阶保持器的开环脉冲传函与误差脉冲传函,判稳后用终值定理求单位斜坡输入下的稳态误差,再由误差指标反求增益。
脉冲传递函数 离散控制系统
本卷考法
  • 求含零阶保持器的采样系统脉冲传函
本卷实例
  • 关键一步:把连续部分与零阶保持器合并后取z变换
  • 中间结果:整理成开环脉冲传函的分式形式
  • 卡点:采样周期以题面印刷为准
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 脉冲传递函数是零初始条件下输出与输入 z 变换之比
  • 连续环节串联时若中间没有采样开关,不能直接相乘
  • 闭环脉冲传递函数的写法取决于采样开关的位置
  • G(z)=Z[G(s)] 中的保持器要一并计入
步骤
  • 确定采样开关位置并画出离散化结构图
  • 对包含保持器的连续部分整体做 z 变换
  • 按串并联或反馈等效写出脉冲传递函数
通用考法
  • 本卷考过求含零阶保持器的采样系统脉冲传函
  • 求开环或闭环脉冲传递函数
  • 比较不同采样开关位置对结果的影响
  • 由连续传递函数求脉冲传递函数
常见易错
  • 本卷考过忘记把零阶保持器计入脉冲传函
  • 把两个无采样开关隔开的连续环节直接相乘
  • 忘记把零阶保持器计入 G(z)
公式
离散系统的稳态误差 离散控制系统
本卷考法
  • 求离散系统单位斜坡输入下的稳态误差
本卷实例
  • 关键一步:写出误差脉冲传函并判定系统稳定性
  • 中间结果:把斜坡的z变换代入终值定理表达式
  • 卡点:误差指标数值以题面为准
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 误差由输入类型与开环脉冲传函中 z=1 处极点的个数决定
  • 型别由 G(z)H(z) 中 z=1 处极点的重数确定
  • 用终值定理求稳态误差,前提是系统稳定
  • 采样周期也影响稳态误差大小
步骤
  • 求误差脉冲传递函数
  • 数出 z=1 处极点重数确定型别
  • 查表或用终值定理求稳态误差
  • 分析采样周期变化对误差的影响
通用考法
  • 本卷考过求离散系统单位斜坡输入下的稳态误差
  • 求离散系统在典型输入下的稳态误差
  • 由稳态误差要求反求开环增益
  • 分析采样周期对稳态精度的影响
常见易错
  • 本卷考过未判定稳定性就直接用终值定理
  • 直接用 s 域静态误差系数公式处理离散系统
  • 未判稳就用终值定理
公式

8八、状态空间能控能观与传递函数#

思路
  • 分别构造能控性矩阵与能观性矩阵,由秩判定能控能观;再由传递函数公式求输入输出传函。
能控性与能观性 状态空间分析
本卷考法
  • 由能控性矩阵与能观性矩阵的秩判定能控能观
本卷实例
  • 关键一步:按定义写出能控性与能观性矩阵
  • 中间结果:由矩阵秩与系统阶数比较判定
  • 卡点:矩阵元素以题面印刷为准
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 能控性指能否用输入在有限时间内把任意初始状态驱动到原点
  • 能观性指能否由输出在有限时间内确定初始状态
  • 用能控性矩阵与能观性矩阵的秩判断
  • 能控性与能观性经非奇异线性变换保持不变
步骤
  • 构造能控性矩阵并求秩
  • 构造能观性矩阵并求秩
  • 与系统阶数 n 比较得出结论
  • 不可控或不可观时进一步做结构分解
通用考法
  • 本卷考过由能控性矩阵与能观性矩阵的秩判定能控能观
  • 判断系统的能控性与能观性
  • 求使系统能观的参数取值
  • 对不可控系统进行结构分解
常见易错
  • 本卷考过只算到A的n减2次幂就下结论
  • 只算到 A^{n-2}B 就下结论
  • 把能控性判据与能观性判据的矩阵构造搞混
公式
本卷考法
  • 由状态空间表达式求输入输出传递函数
本卷实例
  • 关键一步:计算sI减A的逆并左乘C右乘B
  • 中间结果:约简为最简有理分式
  • 卡点:A、B、C以题面印刷为准
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 由状态空间求传递函数为 C(sI-A)^{-1}B+D
  • 传递函数只反映能控能观子系统,含零极点对消
  • 系统的特征值等于传递函数的极点
  • 同一传递函数对应的状态空间实现不唯一
步骤
  • 计算 (sI-A)^{-1}
  • 按公式求 G(s)=C(sI-A)^{-1}B+D
  • 与已知传递函数比对,判断是否发生零极点对消
通用考法
  • 本卷考过由状态空间表达式求输入输出传递函数
  • 由状态空间表达式求传递函数
  • 判断状态空间实现是否存在零极点对消
  • 比较不同实现对应的传递函数是否相同
常见易错
  • 本卷考过漏掉直接传递项D
  • 漏掉直接传递项 D
  • 把特征值个数与传递函数极点数直接等同而不检查对消
公式

9九、平衡点与李雅普诺夫第二法判稳#

思路
  • 先令状态导数为零求平衡点,再构造正定标量函数,求其沿轨线的时间导数并判断符号,从而判定平衡点的稳定性。
李雅普诺夫稳定性分析 状态空间分析
本卷考法
  • 构造李雅普诺夫函数判断平衡点稳定性
本卷实例
  • 关键一步:设含待定系数的正定标量函数
  • 中间结果:求其沿状态方程的导数并判断符号
  • 卡点:状态方程以图题给出,需回原卷核对图
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 第一法通过线性化系统的特征值判断原系统的局部稳定性
  • 第二法用李雅普诺夫函数直接判断稳定性,无需解方程
  • 李雅普诺夫函数正定且其导数为负定则渐近稳定
  • 线性定常系统中李雅普诺夫方程有正定解等价于系统稳定
步骤
  • 选取或构造李雅普诺夫函数
  • 沿系统轨迹求其对时间的导数
  • 判断函数与导数的正负定性
  • 据此得出稳定性结论
通用考法
  • 本卷考过构造李雅普诺夫函数判断平衡点稳定性
  • 用李雅普诺夫方程判断系统稳定性
  • 构造李雅普诺夫函数证明渐近稳定
  • 分析非线性系统的稳定性范围
常见易错
  • 本卷考过只判断函数正定而未检查其导数符号
  • 李雅普诺夫方程中 P、Q 的角色混用
  • 只判断 V 正定就下结论而未检查导数
公式
非线性模型的线性化 建模与机电系统
本卷考法
  • 令状态导数为零联立求系统平衡点(借位)
本卷实例
  • 关键一步:令两个状态导数同时为零联立求解
  • 中间结果:得到满足方程的平衡状态
  • 卡点:参数k与u以题面为准
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 在工作点附近作泰勒展开并忽略高阶项
  • 线性化模型只在小偏差范围内有效
  • 必须先求出平衡工作点
步骤
  • 由静态方程求平衡工作点
  • 在工作点处求偏导得到增量系数
  • 写出以增量表示的线性化方程
通用考法
  • 本卷考过令状态导数为零联立求系统平衡点(借位)
  • 对非线性微分方程在平衡点处线性化
  • 写出小偏差线性化模型的传递函数
常见易错
  • 本卷考过未先求平衡点就直接做稳定性分析
  • 未先求平衡点就直接展开
  • 把增量符号去掉后与原始变量混用
公式
状态空间表达式的建立 状态空间分析
本卷考法
  • 由状态方程与输出方程回画系统模型图(借位)
本卷实例
  • 关键一步:按状态方程画积分链与各反馈支路
  • 中间结果:把输出方程画成状态变量的加权和
  • 卡点:模型图以原卷答案图为准
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 状态方程为一阶微分方程组,输出方程是状态与输入的代数关系
  • 状态变量的个数等于系统阶数,选取不唯一
  • 状态空间描述可同时刻画内部状态与外部输出
  • 可处理多输入多输出系统
步骤
  • 确定系统阶数并选取状态变量
  • 列写各状态变量的一阶微分方程
  • 写成矩阵形式 x'=Ax+Bu 与 y=Cx+Du
通用考法
  • 本卷考过由状态方程与输出方程回画系统模型图(借位)
  • 由物理系统列写状态空间表达式
  • 判断状态变量选取是否合理
  • 写出系统的 A、B、C、D 矩阵
常见易错
  • 本卷考过输出方程漏画加权求和点
  • 状态变量个数与系统阶数不匹配
  • 输出方程中漏掉直接传递项 D
公式

10十、状态空间响应、极点配置与全维观测器#

思路
  • 先求状态转移矩阵得到单位阶跃响应,再验证能控性后由期望特征多项式比对求状态反馈增益,最后验证能观性并配置观测器极点写出观测器方程。
状态转移矩阵 状态空间分析
本卷考法
  • 由状态转移矩阵求单位阶跃响应
本卷实例
  • 关键一步:求sI减A的逆再拉氏反变换得转移矩阵
  • 中间结果:由零初值下的卷积求输出响应
  • 卡点:系统矩阵以题面印刷为准
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 状态转移矩阵 e^{At} 描述零输入下状态随时间的演化
  • 可从 (sI-A)^{-1} 求拉氏反变换得到
  • 满足 e^{A\cdot0}=I 且可逆
  • 含输入时用卷积积分写出全响应
步骤
  • 计算 (sI-A)^{-1}
  • 求拉氏反变换得到 e^{At}
  • 代入全响应公式求状态与输出
  • 用初值条件校验结果
通用考法
  • 本卷考过由状态转移矩阵求单位阶跃响应
  • 求状态转移矩阵
  • 求给定初始条件下的状态与输出响应
  • 用性质验证转移矩阵是否正确
常见易错
  • 本卷考过矩阵求逆时未检查行列式是否为零
  • 矩阵求逆时忘记检查行列式是否为零
  • 卷积积分中变量代换写错
公式
状态反馈与极点配置 状态空间分析
本卷考法
  • 设计状态反馈增益把闭环极点配置到指定位置
本卷实例
  • 关键一步:由期望极点写出期望特征多项式
  • 中间结果:与含增益的闭环特征式比较系数解增益
  • 卡点:期望极点以题面印刷为准
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 状态反馈 u=-Kx+v 可任意配置闭环极点,前提是系统完全能控
  • 状态反馈不改变系统的零点
  • 极点配置通过比较期望与实际的闭环特征多项式求解 K
  • 状态反馈可能改变能观性
步骤
  • 先验证系统能控
  • 写出希望配置的极点并求期望特征多项式
  • 求闭环系统特征多项式 det(sI-A+BK)
  • 比较系数解出反馈增益阵 K
通用考法
  • 本卷考过设计状态反馈增益把闭环极点配置到指定位置
  • 设计状态反馈使闭环极点位于指定位置
  • 判断给定极点是否可通过状态反馈配置
  • 分析状态反馈对系统性能的影响
常见易错
  • 本卷考过未验证能控性就直接做极点配置
  • 未验证能控性就直接做极点配置
  • 特征多项式比较系数时符号写反
公式
状态观测器设计 状态空间分析
本卷考法
  • 设计全维观测器并写出观测器方程
本卷实例
  • 关键一步:验证能观性后设观测器增益并列特征式
  • 中间结果:与期望特征多项式比较系数求增益
  • 卡点:观测器极点以题面印刷为准
考点详解(要点 / 步骤 / 公式 / 考法 / 易错)
要点
  • 状态观测器用输出与输入重构状态,前提是系统能观
  • 极点配置法与龙伯格观测器是两种常用形式
  • 观测器误差动态由 A-LC 的特征值决定
  • 观测器极点通常取得比系统极点快若干倍
步骤
  • 验证系统能观性
  • 写出观测器方程并求误差动态矩阵
  • 按期望特征多项式比较系数求出 L
  • 校验观测器收敛速度是否合适
通用考法
  • 本卷考过设计全维观测器并写出观测器方程
  • 设计全维状态观测器
  • 由期望观测器极点求反馈增益阵 L
  • 分析观测器与状态反馈组合后的系统极点
常见易错
  • 本卷考过把观测器增益写成状态反馈增益的形式
  • 把观测器增益阵写成了状态反馈增益阵的形式
  • 忽略观测器极点过快会放大噪声
公式